Stratix II FPGA系统电源设计

引言

　　Stratix II是ALTERA公司生产的一款高性能FPGA器件。它采用TSMC的90 nm低k绝缘工艺技术生产，等价逻辑单元（LE）高达180 k，嵌入式存储器容量达到9 MB。该器件不但具有极高的性能和密度，而且还针对器件总功率进行了优化，同时可以支持高达1 Gbps的高速差分I/O信号，因而是一款超快的FPGA。该芯片中所含的高性能嵌入式DSP块的运行频率高达370 MHz。另外Stratix II还有12个可编程PLL，并具有健全的时钟管理和频率合成能力。能实现最大的系统性能。

　　MAX1951是MAXIM公司的一款高效的DC-DC电源转换芯片，主要用于DSP、FPGA、ASIC的内核及I/O口供电。其高达94%的转换效率、8脚的SOP表贴封装及连续工作时956 mW的低功耗使其特别适合于便捷式电子设备的应用。MAX1951的输入电压范围为2.6～5.5 V，输出电压范围为0.8 V～Vin（可调输出），输出电流可达2 A，精度可达1%，开关频率为1 MHz，输出效率达94%，且内含过载及过热保护电路。

　　基于MAX1951的诸多特点，本文给出了采用该器件为Stratix II FPGA系统供电以降低其功耗的设计方案。

1 应用设计

　　采用MAX1951为Stratix II FPGA系统供电的参考电路如图1所示。

1.1 输入器件参数的设计

　　输入滤波电容主要是用来降低供电系统的电流峰值、电压纹波和电路开关噪声的影响，使芯片的输入电压纹波控制在3%以下。系统输入电源的纹波电压与输入滤波电容的关系式如下：

VIN_RIPPLE=IOUTVOUT/（fSWVINCIN）

图1中，R4、C5、C3分别为旁路电阻、旁路电容及参考旁路电容，一般取图中定值即可。

1.2 输出器件参数的设计

（1） 输出分置电阻

一般默认设计的反馈输入电压为0.8 V，也可以根据所要输出的电压VOUT来设计R2，R3的阻值，一般取R2的值在2～20 kΩ之间。这样，R3值的计算式如下：

R3=R2[（VOUT/VFB）-1] 　　（1）

（2） 输出电感

该电路的输出电感、最大允许电流的输出纹波电压的计算式如下：

LINIT=VOUT（VIN-VOUT）/（VINLIRIOUT（MAX）fSW　　 （2）

IL（MAX）=（1+LIR/2）IOUT（MAX）　　　 （3）

VRIOPPLE=VOUT（VIN-VOUT）ESR/（VINLFINAIfSW）　　 （4）

　　式中，LIR为电感电流峰值/电感最大平均电流，在对电感尺寸、损耗、输出纹波等参数加以权衡后，一般最小电感电流纹波LIR应设置在20%至40%之间。MAX1951的工作频率SW为1 MHz。其中ESR为输出电容的等效串联电阻，在其生产厂家的网站上可以查到相应容量的ESR值。如采用常用的AVX-TAJA106*010，则其ESR为3Ω。

　　在选取电感时应注意，很多新型器件对电源要求都比较高。所以应尽量加大输出电感容量以降低纹波（但要以牺牲尺寸为代价）。在其饱和电流满足设计要求的前提下，电感的阻抗应越小越好。因为电感的容量跟其所承受的最大电流成反比，同时在加大电流和电感容量的同时，也会大大增加电感的尺寸及价格，这在便捷设备的设计初期一定要注意。

（3） 输出电容

　　输出电容蓄电的变化会引起输出电压纹波，一般纹波电流小，纹波电压相应就小。实际电容的简化电路模型是由等效串联电感（ESL）、电容和等效串联电阻（ESR）构成的串联网络。由输出电容引起的电压纹波VRIPPLE的计算式如下：

　　式中，TON、TOFF为MAX1951内部MOSFET的导通和断开时间，TON为定值，TOFF最小取400 ns，所以通常用TOFF来计算VRIPPLE（ESL）。电容的串联等效电感ESL由电容生产厂家提供。常用的TAJ系列3216、3528封装的TAN电容取值1.8 nH。这样，综合上面VRIPPLE的计算式，即可估算出COUT。

1.3 补偿电路设计

图1中，补偿电阻R1和补偿电容C2组成的补偿环路可用来提供稳定的宽带补偿，Rl与C2的计算式如下：

式中，K为高频时回路的修正参数，其值与输出电容有关，一般在10μF时取0.55，22μF时取0.47。VFB为参考电压（一般取0.8 V）。gmEA取定值60μs。Gmc定值取4.2 s。GMOD为DC调制增益，RLOAD为输出负载，上式中未知变量的计算式如下：

式中，C为闭环增益交叉频率，一般取值小于等于1/5的开关频率。RESR一般取0.01Ω。有了以上参数，R1、C2的值便可计算得出。这样，补偿电路的设计就算完成了。

2 基于MAX1951的机载GPS电源设计

2.1 Stratix II FPGA内核供电电路

　　下面以一种机载GPS定位导航仪器的电源系统为例，来说明MAX1951的应用电路。

在整个系统的设计之前，要对系统中各芯片的功耗进行估算，之后进行累加，以确定系统整体供电方案。本系统为机载GPS定位导航仪，系统硬件主要由一片FPGA、一片DSP、一片ARM及其它外围接口电路构成。系统电源输入为+5.5 V，该系统要求功耗低、尺寸校所以设计可采用电源